Agrégation et processus biologiques dans les approches de restauration naturelle et de réhabilitation des sols issus de résidus miniers de terres rares

Aggregation and biological processes in ion-adsorption rare earth mine tailings under natural restoration and reclamation approaches

• Auteur / Autrice : Meina Guo
• Direction : Geoffroy Séré, Ye-Tao Tang, Françoise Watteau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences agronomiques
• Date : Soutenance le 18/05/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Sun Yat-sen University
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire sols et environnement (Vandoeuvre-les-Nancy ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Shizhong Wang
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Geoffroy Séré, Ye-Tao Tang, Françoise Watteau, Alan J. M. Baker, Isabel Miralles-Mellado, Jean-Louis Morel, Chunmei Zhao
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alan J. M. Baker, Isabel Miralles-Mellado
• DOI : 10.70675/040bbb53z1f0dz4761za9a2z267b64aa31bb

Mots clés

Mots clés contrôlés

Services écosystémiques

Sols -- Réhabilitation

Rhizosphère

Écologie bactérienne

Terres rares

Phytorestauration

Qualité des sols

Mots clés libres

Services écosystémiques

Rhizosphère

Bactéries

REEs

Biocroûte

Qualité du sol

Rhizosphere

Soil quality

Bacteria

REEs

Ecosystem services

Biocrust

Résumé

Les gisements de Terres Rares (REEs) d'argile à adsorption ionique sont l'un des principaux réservoirs de REEs dans le monde. Ils sont principalement distribués dans le Jiangxi, le Guangdong et d'autres provinces du sud de la Chine. Au cours des dernières décennies, leur production a causé de graves dommages environnementaux et laissé une grande superficie de résidus miniers, tels une menace constante sur l'environnement. Les principaux problèmes de ces résidus sont une mauvaise structure physique, une fertilité extrêmement faible, une pollution et une toxicité élevées. Ces facteurs défavorables entravent la colonisation des organismes et la restauration des services écosystémiques. Par conséquent, la restauration de la structure et des fonctions du sol et de l'écosystème sont une question majeure. La succession naturelle et la phytoremédiation sont des stratégies de gestion de ces résidus miniers. Le processus de formation du sol et le mécanisme de succession écologique dans ces différentes stratégies sont différents. Compte tenu du coût et du temps nécessaires, la comparaison de ces approches est essentielle. Le but de cette thèse est d'étudier : 1) la structuration et l'évolution des fonctions du sols et des écosystèmes de stériles miniers en succession naturelle; 2) les effets de différentes stratégies de phytoremédiation et 3) l'évaluation comparative de la qualité des sols et de l'environnement écologique dans le cadre de la succession naturelle et de la phytoremédiation. (1) Dans la succession naturelle, les fonctions pédologiques et écologiques progressent considérablement au fil du temps. En outre, nous avons constaté qu'il y avait trois modèles d'évolution complètement différents au début de la succession (sol nu, croûtes biologiques et végétation vasculaire) et que la relation entre eux est évolutive. La genèse d'agrégats du sol, en particulier les macroagrégats biogéniques, impacte l'accumulation de nutriments, le comportement des REEs et la diversité des micro-organismes. (2) De plus, les macroagrégats associés aux croûtes biologiques (BC) et associés aux racines de plantes vasculaires (RS) échantillonnés sur des résidus de REEs se révèlent être différents. Les modalités BC et RS avaient des concentrations en nutriments significativement plus élevées. La concentration de REEs la plus élevée a été observée pour BC, tandis que la plus faible a été observée pour RS, ce qui suggère que les REEs se redistribueraient entre différents horizons selon la restauration biotique. Fait intéressant, les micro-organismes autotrophes étaient concentrés dans BC, tandis que les bactéries rhizosphériques hétérotrophes favorisant la croissance des plantes étaient concentrées dans RS. Ces résultats montrent que le mécanisme et l'efficacité de la restauration entre les différentes approches sont significativement différents. (3) Différentes stratégies de phytoremédiation ont été testées par des expériences de terrain. Par rapport aux résidus nus, l'ajout d'amendement induit une augmentation significative de la fertilité chimique et favorise la formation de macroagrégats, réduisant ainsi la disponibilité des REEs. De plus, les modifications introduisent de nouvelles bactéries (p. ex. Burkholderia), qui modifient certaines caractéristiques biologiques des résidus et favorisent la circulation des éléments nutritifs. Nos expériences sur le terrain ont prouvé l'efficacité et la durabilité des amendements que nous avons conçus, mais cet effet semble avoir disparu à 16 mois. En conclusion, nos recherches montrent que la nature, en tant qu'« ingénieur », améliore sans interruption la qualité du sol et de l'environnement écologique, tandis que les efforts de phytoremédiation, s'ils améliorent considérablement la fonction du sol et de l'environnement écologique, ont un effet qui s'affaiblit avec le temps, ce qui nécessite une observation à plus long terme.

Ion-adsorption REE deposits are one of the main reservoirs of REEs worldwide, mainly distributing in southern China. In the past decades, the production of REEs has caused serious environmental damage and left over a large area of tailings which continuously threaten the surrounding environment. The main obstacles for ecological restoration of such tailings are poor physical structure, low nutrients, high pollution of REEs and Al. These unfavourable factors hinder the colonization of organisms and the restoration of ecosystem services. Therefore, how to restore the structure and function of soil and ecosystem has become a major issue. Natural succession and phytoremediation provide an option for restoration of mine tailings. However, so far less is understood in terms of the mechanisms of soil formation and ecological succession of REE tailings under different strategies. Therefore, the objectives of this thesis are to: 1) study the evolution mechanism of structure and function of tailing soils and ecosystem in natural succession; 2) study the restoration effects of various phytoremediation strategies; and 3) assess the soil and ecological environment quality under natural succession and phytoremediation. The main findings are as follows. (1) In natural succession of a 15-year chronosequence, soil and ecological functions are significantly increasing over time. There are three completely different evolution patterns (i.e. visual bare, biocrust and vascular vegetation) in the early stage of succession. The evolution between biocrusts and vascular plants occurs from the initial mutual promotion to the later competition. The formation of large aggregates (> 0.25 mm) is mainly controlled by the electrostatic interaction of minerals and biological activities, which improves the diversity of microorganisms and accumulation of nutrients, and controls the migration of REEs. (2) The macroaggregates associated with biocrusts (BC) and with vascular plant root soils (RS) show different morphologies, that is, longitudinal stratification of biocrust and interlacement within the rhizosphere. Both BC and RS are significantly enriched in nutrients. The highest REE concentration is observed in BC while the lowest is found in RS, suggesting that REEs could be redistributed among different horizons by biotic processes. Interestingly, autotrophic microorganisms are more concentrated in the BC, while heterotrophic rhizosphere growth-promoting bacteria are preferentially distributed in the RS. These results show that, although in the same site, the mechanism of soil formation and recovery of soil function under different evolution patterns are quite different. (3) In consideration of time and efficiency, different phytoremediation strategies (i.e. amendment and plantation of pioneer plant Miscantus sinensis and commercial grasses) were conducted by a plot experiment. Compared with bare tailings, the addition of amendment induces a significant increase in nutrients, promotes the formation of macroaggregates, and reduces the availability of REEs. In addition, phytoremediation introduces nitrogen fixing bacteria (e.g. Burkholderia), which change the biological characteristics of tailings and promote nutrient cycling. Our results have proved the effectiveness and sustainability of the amendment input. Nevertheless, the plant effect is not significantly visible within only a 16 month-experiment in this study. In conclusion, this research shows that nature, as an “engineer”, is uninterruptedly improving the soil and ecological environment quality, while phytoremediation efforts can significantly enhance the soil and ecological environment function but the effect weakens with time, which requires longer-term observation.